万幸芝１,刘新龙２,王梦婕１,蔡振兵２,彭金方２,朱旻昊１,２
(西南交通大学１．材料先进技术教育部重点实验室摩擦学研究所,
２．牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所,成都 ６１００３１)
摘 要:采用球/平面接触方式在自制的试验设备上对 AZ３１B镁合金进行切向微动磨损试验,研究了 AZ３１B镁合金在２０,１００,２００,３００ ℃下的微动磨损行为,并分析了其磨损机制和摩擦氧化作用.结果表明:在不同试验温度下,镁合金的微动主要通过滑移来实现;随着试验温度的升高,上升阶段时的摩擦因数增大,摩擦因数到达峰值和稳定阶段所需的循环次数减小;随着试验温度的升高,AZ３１B镁合金的磨损体积和摩擦副的总磨损体积均先减小后增大,２００ ℃时,AZ３１B镁合金的磨损体积最小;在微动磨损过程中,AZ３１B镁合金磨痕表面的摩擦氧化起主导作用;当试验温度低于２００ ℃时,AZ３１B镁合金磨痕表面形成了铁的氧化物转移膜,磨损体积随试验温度的升高而减小,但在３００ ℃时,铁的氧化物转移膜被破坏,磨损体积增大.
关键词:AZ３１B镁合金;微动磨损;摩擦氧化
中图分类号:TH１１７．３文献标志码:A文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０７Ｇ０００６Ｇ０６
０ 引 言
微动是指在紧固配合的机械零部件中发生振幅极小的相对运动(位移幅值一般为微米量级)[１Ｇ２].微动会造成材料的磨损或导致疲劳裂纹的萌生与扩展,从而引起零部件的卡死、振动、磨损或断裂.微动磨损 是 造 成 机 械 零 部 件 灾 难 性 事 故 的 原 因 之一[３Ｇ４],因此材料的微动磨损机制以及如何提高抗微动磨损性能是摩擦学研究的重点.随着工业化、城镇化进程的加快和消费结构的持续升级,我国能源需求呈刚性增长态势,并且资源环境问题依然是制约我国经济社会发展的瓶颈之一,因此节能减排成为我国工业发展的重点方向之一.镁及其合金是目前已知的在工程应用中密度最小的结构材料[５],具有高的比强度、高的阻尼和降噪能力、良好的屏蔽电磁干扰性能,且易于机械加工及回收利用等,被誉为“２１世纪的绿色金属结构材料”[６Ｇ８],广泛应用于汽车和航空航天领域[９Ｇ１０].近年来,有关镁合金的常规摩擦磨损性能的研究很多,但微动磨损行为的研究较少,而紧固配合的镁合金零部件在工作时经常会发生微动磨损 [１１Ｇ１３].因此,作者以目前应用最为广泛的 AZ３１B镁合金为研究对象,研究了不同温度下的微动磨损行为,探讨了其磨损机制和摩擦氧化行为,为镁合金应用领域的扩展提供指导[１４].
１ 试样制备与试验方法
试验 材 料 为 市 售 AZ３１B 镁 合 金 板,尺 寸 为１５０mm×２００mm×４０mm,主要化学成分(质量分数/％)为３．１Al,０．８Zn,０．３２Mn,０．００３Fe,０．０１Cu,０．００１Ni,余 Mg;其热处理工艺为３００ ℃×１h退火热处理,抗拉强度为２３０MPa,屈服强度为１６０MPa,硬度为７６HV.
采用球/平面接触方式在自制的试验设备上进行切向微动磨损试验,设备装置如图１所示.磨球选用 GCr１５ 钢 球,直 径 为 １０ mm,表 面 粗 糙 度 为０．０２μm,硬度为６３ HRC;AZ３１B 镁合金试样尺寸为１０mm×２０mm×４ mm,接触表面经粗磨和用直径为０．２５μm 的金刚石颗粒抛光至表面粗糙度约为０．０２μm.试验温度为２０,１００,２００,３００℃,载荷为８N,位移幅值为４５μm,频率为２．５Hz,循环次数为１００００周次.试验前,磨球和镁合金试样均经酒精
超声波清洗并吹干.试验结束后,采 用 OlympusＧBX６０M 型光学显微镜(OM)和JSMＧ６０００LV 型扫描电子显微镜(SEM)观察 磨 痕 形 貌;采 用 BrukerContourGT 型白光干涉仪(３D)观察磨痕的形貌并计算磨 损 体 积;采 用 OXFORD XＧMAX５０INCAＧ２５０型能谱仪(EDS)测 AZ３１B 镁合金和 GCr１５钢球接触面的化学成分及其分布.
２ 试验结果与讨论
２．１ 微动磨损特性
由图２可知:不同温度下,AZ３１B 镁合金在不同循环次数下的摩擦力Ｇ位移曲线均呈平行四边形,这说明 AZ３１B镁合金与 GCr１５钢球均处于完全滑移的接触状态,微动主要通过滑移来实现,且位移随着循环次数的增加而均略微减小;在２０,２００,３００℃下,当循环次数大于１０００周次时,试验过程中的最大摩擦力均趋于稳定,而在１００℃下,试验过程中的最大摩擦力不断增大;在相同循环次数下,２０ ℃时的摩擦力均最小.由图３可知:切向微动摩擦因数随循环次数的变化曲线可以分为跑合、上升、峰值、下降和稳定等５个阶段,温度对上升阶段、峰值阶段和稳定阶段摩擦因数的影响程度较大;在上升阶段,随着试验温度的升高,摩擦因数增大,这主要是由于随着温度的升高,AZ３１B镁合金的软化、黏着作用增强,且试验温度升高使表面吸附水膜蒸发,从而导致摩擦因数增大[１５];在２０ ℃时,约经过２５００次循环后摩擦因
数达到峰值,而在２００,３００ ℃时,仅需约６００次循环,可见达到摩擦因数峰值所需的循环次数随试验温度的升高呈减小的趋势,且试验温度越高,摩擦因数峰值越高,这进一步说明温度对黏着作用的影响较大;在２０ ℃时,摩擦因数达到峰值后呈锯齿状下降,这说明此时二体作用向三体作用转变,参与承载的第三体层表面有裂纹萌生,发生脆裂,磨屑不断被排出,导致摩擦力下降[４],摩擦因数在１００００次循环时并未进入稳定阶段,这说明磨屑的产生速率与排出速率未达到动态平衡;在１００℃时,摩擦因数达到峰值后缓慢上升,这说明磨屑排出量减少且主要堆积在磨痕边缘处;在２００,３００℃时,摩擦因数达到峰值后的下降阶段较短,之后快速进入稳定阶段,此时磨屑的产生速率与排出速率达到动态平衡.对于较软的材料,其微动磨损行为主要取决于磨屑从接触表面排出的速率[１６].由图４可知,在２０ ℃时,镁合金磨痕周围堆积的磨屑较多,在１００℃时,镁合金磨痕周围堆积的磨屑变少,且主要堆积在磨痕边缘处,而在２００,３００ ℃时镁合金磨痕周围未出现大量磨屑.这可能是由于试验温度的升高使接触表面的化学状态发生改变,磨屑不易排出并快速被氧化堆
积于接触表面,形成第三体层,从而降低了磨屑排出速率,这使得摩擦因数快速进入稳定阶段.
在 AZ３１B镁合金/GCr１５钢球的切向微动磨损过程中,摩擦氧化和材料力学性能的变化是影响磨损体积的主要因素.由图６可知:在２０ ℃时,摩擦副间材料的转移。
并不明显,这是由于该温度下 AZ３１B镁合金表面微凸体黏着点的结合强度低于摩擦副间的剪切强度,因此 AZ３１B镁合金仅发生轻微黏着磨损;在２００ ℃时,摩擦副间材料的转移较显著,黏着磨损加剧,这是由于随着温度的升高,AZ３１B镁合金出现软化现象,即剪切强度降低,从而促使镁合金转移至GCr１５钢球接触表面;在２００℃时,AZ３１B镁合金的损伤最轻微,而GCr１５钢球表面出现明显划痕,其损伤较严重,由此推测此时镁合金磨痕表面所形成的第三体层起到了固体润滑作用,从而减轻了 AZ３１B镁合金的磨损程度;在３００℃时,AZ３１B镁合金的软化现象最为严重,因此 GCr１５钢球表面附着大量转移材料.
２．３ 摩擦氧化作用
由图７和表１可知:在２０℃时,AZ３１B镁合金未磨损的基体表面中氧元素的质量分数为１．２２％,而磨痕表面中氧元素质量分数可达６０．１８％,这说明在切向微动磨损过程中磨痕表面发生了氧化反应;随着试验温度的升高,磨痕表面的氧元素含量下降,这说明磨痕表面的氧化程度减弱.磨痕表面的氧化主要为摩擦氧化和一般热氧化,温度升高促进一般热氧化的发生,但是摩擦氧化与环境的湿度有关;随着温度的升高,湿度降低,摩擦氧化程度减弱[１８]:因此,在切向微动磨损过程中,摩擦氧化起主导作用.随着试验温度的升高,磨痕表面中铁元素含量先增大后减小,在３００℃时,铁元素质量分数仅为０．５８％.由氧元素和铁元素的含量变化可见:当试验温度低于２００ ℃时,AZ３１B镁合金磨痕表面形成了铁的氧化物转移膜,该转移膜起到固体润滑作用,从而导致磨损体积随着试验温度的升高而减小;但在３００ ℃时,铁的氧化物转移膜被破坏,导致磨损体积增大.
由图８可知:在２００ ℃时,氧元素、铁元素均匀分布于磨痕表面,说明在 AZ３１B镁合金磨痕表面形成了均匀的铁的氧化物转移膜;在３００℃时,磨痕表面主要含有氧元素和镁元素,铁元素仅分布于磨痕边缘区域,说明此时 AZ３１B镁合金磨痕表面主要存在镁的氧化物,此时磨痕表面铁的氧化物的排出和材料塑性的增强是造成磨损体积增大的原因.
３ 结 论
(１)在２０,１００,２００,３００ ℃时,AZ３１B 镁合金的微动主要通过滑移来实现;切向微动摩擦因数随循环次数的变化曲线可以分为跑合、上升、峰值、下降和稳定等５个阶段,随着试验温度的升高,上升阶段时的摩擦因数增大,摩擦因数到达峰值和稳定阶段所需的循环次数减小.
(２)随着试验温度的升高,AZ３１B镁合金的磨损体积和 摩 擦 副 的 总 磨 损 体 积 均 先 减 小 后 增 大,２００ ℃时,AZ３１B镁合金的磨损体积最小.
(３)在切向微动磨损过程中,AZ３１B 镁合金表面的摩擦氧化起主导作用,随着试验温度的升高,磨痕表面的氧化程度减弱;当试验温度低于２００℃时,AZ３１B镁合金磨痕表面形成了铁的氧化物转移膜,该转移膜起到固体润滑作用,导致磨损体积随着试验温度的升高而减小,但在３００℃时,铁的氧化物转移膜被破坏,磨损体积增大.
来源：材料与测试网